DE4107462C2 - Werkzeugmaschine zur spanabhebenden Bearbeitung von Werkstücken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine zur spanabhebenden Bearbeitung von Werkstücken, mit Werkstückträgern zum Aufspannen von Werkstücken und mit mindestens einem rotierenden, spanabhebenden Werkzeug, welches während des Zerspanungsvorgangs mit den Werkstücken in Eingriff gelangt, wobei mehrere Werkstückträger um das Werkzeug herum angeordnet sind.

Derartige zerspanende Werkzeugmaschinen werden in vielfältiger Form eingesetzt. Im allgemeinen sind solche Werkzeugmaschinen in drei Hauptgruppen unterteilt, nämlich in Dreh-, Fräs- und Schleifmaschinen, wie sie beispielsweise in aus der DE-PS 2 33 623 bekannt sind. Insbesondere durch Erhöhung des Vorschubes und der Schnittgeschwindigkeit konnte die Leistung derartiger Werkzeugmaschinen in den letzten Jahren erheblich gesteigert werden. An die Konstruktion derartiger Hochleistungs­ werkzeugmaschinen müssen jedoch wegen der hohen Schnittgeschwindigkeiten und der dadurch entstehenden Schnittkräfte große Anforderungen gestellt werden. Der Antrieb, die von diesem angetriebene Spindel und das auf der Spindel sitzende Werkzeug müssen so ausgelegt werden, daß die beim Zerspanungsvorgang auftretenden hohen Schnittkräfte problemlos aufgenommen werden können, ohne daß dadurch die Lebensdauer wesentlich beeinträchtigt wird.

Die Einhaltung der gewünschten Toleranzen bildet insbesondere beim Hochleistungsschleifen ein Problem. Das Hochleistungsschleifen ist die Kombination von Hochgeschwindigkeits- und Tiefschleifen. Gemeinsames Merkmal des Tief- und Hochleistungsschleifens besteht in der großen Zustellung. Der wesentliche Unterschied des Hochleistungsschleifens zum Tiefschleifen liegt in der deutlich höheren Schnittgeschwindigkeit und in den wesentlich größeren Vorschüben. Dadurch können die beim Hochleistungsschleifen realisierbaren Abtragsraten mindestens um den Faktor 100 höher liegen als beim herkömmlichen Pendel- und Tiefschleifen. Neben den sehr viel höheren Abtragsleistungen zeichnet sich das Hochleistungsschleifen auch noch durch eine geringere thermische Schädigung des Werkzeugs, einen geringeren Werkzeugverschleiß und einen geringeren Energiebedarf aus. Die Vorteile des Hochleistungsschleifens können im wesentlichen nur dann optimal genutzt werden, wenn viel Material abzutragen ist und die Rüst- und Nebenzeiten relativ gering sind. Dabei kann das Hochleistungsschleifen in vielen Fällen andere spanabhebende Fertigungsverfahren ersetzen. Auf jeden Fall kommt das Schleifen als Endbearbeitung dann in Frage, wenn kleine Toleranzen und hohe Oberflächenqualität gefordert wird.

Eine weitere Leistungssteigerung der zuvor erwähnten Werkzeugmaschinen findet jedoch eine Grenze in der zu erzielenden Genauigkeit, insbesondere wenn die geforderten Toleranzen sehr gering sein sollen. Die Verarbeitungsqualität hängt im wesentlichen von dem Antrieb, von der Spindel und von dem auf der Spindel sitzendem Werkzeug ab. Ein großes Problem stellen insbesondere die hohen Schnittkräfte dar, die eine Deformation des Werkzeugs und der Werkzeugspindel und somit eine unerwünschte Erhöhung der Fertigungstoleranzen zur Folge haben. Zwar erscheint eine Verbesserung dieser Teile durch geeignete Auswahl ganz spezieller und hochwertiger Werkstoffe nicht ausgeschlossen; jedoch dürfte dann die Werkzeugmaschine unter dem Gesichtspunkt der Wirtschaftlichkeit einer solchen Werkzeugmaschine bei einer Massenfertigung berücksichtigt werden, bei welcher nur wenig Material abzutragen ist und eine vergleichsweise hohe Präzision gefordert wird.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Werkzeugmaschine der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß sie sich für die Massenproduktion von Werkstücken mit hoher Präzision eignet und gleichzeitig die Anforderungen an Produktivität und Wirtschaftlichkeit erfüllen kann.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Werkzeugmaschine gelöst durch eine Steuerung, die die Werkstückträger und/oder das Werkzeug während des Zerspanungsvorgangs so verfährt, daß das rotierende Werkzeug zumindest kurz vor Beendigung des Zerspanungsvorgangs stets mit allen in den Werkstückträgern eingespannten Werkstücken gleichzeitig und unter gleichen Kontaktbedingungen in Eingriff gelangt.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht also darin, daß mehrere auf den mehreren Werkstückträgern aufgespannte Werkstücke um das rotierende, spanabhebende Werkzeug herum verteilt sind und zumindest kurz vor Beendigung des Zerspanungsvorganges vom Werkzeug gleichzeitig bearbeitet werden. Hierzu werden gemäß der Erfindung die Werkstückträger und/oder das Werkzeug so verfahren, daß das Werkzeug mindestens kurz vor Beendigung des Zerspanungsvorganges stets mit allen diesen umgebenden Werkstücken gleichzeitig in Berührung gelangt. Dadurch wird das Werkzeug und dieses tragende Werkzeugspindel von mehreren Seiten gleichzeitig beansprucht. Dies führt in überraschender und zugleich vorteilhafter Weise dazu, daß das Werkzeug und die Werkzeugspindel sich nicht so stark verformen oder nachgeben können, wie es beim Stand der Technik der Fall ist, da sich die einzelnen auf das Werkzeug und die Werkzeugspindel wirkenden Kräfte zumindest zu einem erheblichen Teil gegenseitig aufheben. Die punktuelle Biegebeanspruchung und somit die Verformung werden dadurch erheblich verringert, was zu einer Reduzierung der Fertigungstoleranzen und einer Verbesserung der Oberflächenqualität des hergestellten Werkstückes führt. Dadurch, daß erfindungsgemäß das Werkzeug mit mehreren Werkstücken gleichzeitig in Berührung gebracht wird, erhöht sich die Eigenfrequenz derart, daß die gefürchtete Resonanz, welche zu einer unerwünschten Erhöhung der Fertigungstoleranzen führt, bei der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine praktisch vernachlässigt werden kann.

An dieser Stelle sei angemerkt, daß es nicht unbedingt darauf ankommt, daß bereits zu Beginn des Zerspanungsvorganges ein Kontakt des Werkzeugs mit allen zu bearbeitenden Werkstücken hergestellt wird; zu Beginn der Bearbeitung ist auch der Kontakt mit nur einem oder wenigen Werkstücken erlaubt. Maßgeblich für die Erzielung der geforderten hohen Fertigungsqualität ist nach der erfindungsgemäßen Lehre vielmehr, daß das rotierende Werkzeug zumindest kurz vor Beendigung des Zerspanungsvorganges stets mit allen Werkstücken gleichzeitig in Berührung gelangt. Für die Qualität der bearbeiteten Werkstückoberfläche ist nämlich nicht der Anfang, sondern das Ende des Zerspanungsvorganges entscheidend.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß mehrere Werkstücke gleichzeitig bearbeitet werden können. Die gleichzeitige Bearbeitung von mehreren Werkstücken führt zur Verkürzung der Fertigungszeiten. Zeitverkürzungen können ebenfalls durch paralleles, also gleichzeitiges Aufspannen der zu bearbeitenden Werkstücke und durch paralleles, also gleichzeitiges Abnehmen der fertiggestellten Werkstücke erzielt werden. Dadurch können auch gleichzeitig noch die Transportwege verkürzt werden, was zu einer Verkürzung der Rüst- und Nebenzeiten und somit zu einer weiteren Zeitverkürzung des gesamten Herstellungsvorganges führt.

Nach alledem läßt sich mit der Erfindung eine hohe Fertigungsqualität bei überraschend geringen Fertigungstoleranzen bei gleichzeitig schneller Bearbeitung und somit hoher Verarbeitungsleistung erreichen. Dadurch ist die erfindungsgemäße Werkzeugmaschine besonders wirtschaftlich, und die Erfindung ermöglicht insbesondere erstmalig einen wirtschaftlichen Einsatz für die Massenfertigung von Werkstücken, bei denen auch nur wenig Material abzutragen ist, jedoch eine hohe Präzision und Oberflächenqualität gefordert sind.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in dem kompakten Aufbau der Werkzeugmaschine, da die Werkstückträger und somit alle wesentlichen Einheiten um das Werkzeug herum angeordnet sind. Auf diese Weise ergibt sich zugleich auch ein höherer Schutz gegenüber eventuell herumfliegenden Werkzeug- oder Werkstückteilen, so daß die Erfindung auch unter dem Sicherheitsgesichtspunkt interessant ist.

Um die Fertigung von unterschiedlichen Profilen sowie die gleichzeitige Bearbeitung von zwei oder mehreren Werkstückabschnitten zu ermöglichen, können vorzugsweise mehrere Werkzeuge auf einer rotierenden Werkzeugspindel hintereinander angeordnet sein. Diese Ausführung erlaubt auch eine Erhöhung der Anzahl der gleichzeitig zu bearbeitenden Werkstücke, indem insbesondere mehrere Werkstückträger um jedes Werkzeug angeordnet sind und die Werkstückträger und/oder die Werkzeuge so verfahrbar sind, daß jedes Werkzeug zumindest kurz vor Beendigung des Zerspanungsvorganges stets mit allen auf den zugehörigen Werkstückträgern aufgespannten Werkstücken gleichzeitig in Berührung gelangt.

Eine besonders gleichmäßige Beanspruchung des Werkzeugs läßt sich dadurch erreichen, daß die Werkstückträger so um das Werkzeug herum verteilt sind, daß der Winkelabstand zwischen den Berührungsstellen zweier benachbarter Werkstücke mit dem Werkzeug, bezogen auf dessen Rotationsachse, bei allen Werkstücken gleich ist. Bei dieser Weiterbildung sind die Werkstücke also gleichmäßig um das Werkzeug herum verteilt angeordnet. Dadurch heben sich die von den Werkstücken auf das Werkzeug ausgeübten Kräfte in besonders hohem Maße gegenseitig auf.

Bei einer weiteren zweckmäßigen Ausführung der Erfindung hat das Werkzeug im wesentlichen die Form einer Scheibe, deren Mittelachse mit der Rotationsachse zusammenfällt und deren Umfang während der Zerspanungsvorganges mit den Werkstücken in Berührung gelangt. Das Werkzeug kann beispielsweise aus einer Schleifscheibe bestehen, so daß die erfindungsgemäße Werkzeugmaschine eine sehr effektive Hochleistungsschleifmaschine bildet, die eine so hohe Abtragsrate besitzt, daß auf andere spanende Fertigungsverfahren verzichtet werden kann, ohne daß die Bearbeitungszeit oder Fertigungsqualität in nachteiliger Weise beeinflußt werden. Mit Hilfe der Erfindung können also die Vorteile des Hochleistungsschleifverfahrens voll ausgenutzt werden.

Alternativ kann das Werkzeug natürlich beispielsweise auch aus einem Fräswerkzeug bestehen.

Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische, ausschnittsweise Seitenansicht einer Hochleistungsschleif­ maschine; und

Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf eine solche Maschine.

Die in Fig. 1 dargestellte Hochleistungsschleifmaschine weist eine Werkzeugspindel 2 auf, die von einem nicht dargestellten Antrieb gedreht wird. Auf der Werkzeugspindel 2 sind zwei Schleifscheiben 4a und 4b im Abstand voneinander angeordnet. Die Schleifscheiben 4a, b besitzen eine Kreisform, wobei die Mittelachse mit der Rotationsachse 2a der Werkzeugspindel 2 zusammenfällt. Demnach sind die Schleifscheiben 4a, b rechtwinklig zur Rotationsachse 2a angeordnet. Die Schleifscheiben 4a, b sind an der Werkzeugspindel 2 fest fixiert. Die Werkzeugspindel 2 ist von einer nicht dargestellten Vorschubeinrichtung in Richtung ihrer Rotationsachse 2a verfahrbar.

Jede Schleifscheibe 4a und 4b enthält einen ringförmigen Schleifkörper 6a bzw. 6b, der den Umfang einer Schleifscheibe bildet. Bei den Schleifscheiben 4a, b der dargestellten Ausführung handelt es sich demnach um Umfangsschleifscheiben. Der Rand des Schleifkörpers 6a der Schleifscheibe 4a ist im Querschnitt halbkreisförmig und der Rand des Schleifkörpers 6b der Schleifscheibe 4b im Querschnitt dreiecksförmig mit im spitzen Winkel aufeinander zulaufenden Bearbeitungsflächen ausgebildet, so daß entsprechende halbkreisförmige oder spitze Einschnitte geschliffen werden können. Durch entsprechendes Verfahren kann darüber hinaus jedes beliebige Profil erzeugt werden.

Beiderseits der Werkzeugspindel 2 und den Schleifscheiben 4a und b sind Werkstückträger 8 angeordnet, die in einer Richtung rechtwinklig zur Rotationsachse 2a verfahrbar sind. Die Werkstückträger 8 weisen ein gabelförmiges Ende auf, zwischen dessen Schenkeln 8a und b das Werkstück 10 drehbar zwischen den Schenkeln 8a, 8b eingespannt. Während der Bearbeitung durch die Schleifscheiben 4a oder 4b können die Werkstücke 10 von einer nicht dargestellten Antriebseinrichtung angetrieben und um eine Rotationsachse 14 gedreht werden. Die Rotationsachse 14 der Werkstücke 10 verläuft parallel zur Rotationsachse 2a der Werkzeugspindel 2. Auf diese Weise können aus den Werkstücken 10 sowohl rotationssymmetrische als auch nicht rotationssymmetrische Teile wie z. B. Nockenwellen hergestellt werden.

Fig. 2 zeigt schematisch die Anordnung der Werkstückträger 8. In Fig. 2 ist nur die Schleifscheibe 4a in Draufsicht dargestellt und nur ein Werkstückträger mit den entsprechenden Bezugszeichen (vgl. hierzu Fig. 1) versehen, und zwar stellvertretend für alle dargestellten Werkstückträger 8.

Wie Fig. 2 erkennen läßt, sind die Werkstückträger 8 in gleichem Winkelabstand zueinander um die Schleifscheiben 4a, 4b und somit um die Werkzeugspindel 2 herum verteilt angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel sind 12 Werkstückträger 8 vorgesehen.

Sämtliche Werkstückträger 8 mit den darauf aufgespannten Werkstücken 10 werden während des Betriebes der Hochleistungsschleifmaschine in Richtung auf die Schleifscheiben 4a oder 4b vorgefahren, je nachdem welche Schleifscheibe in Abhängigkeit von der Stellung der Werkzeugspindel 2 den Werkstücken 10 gegenüber liegt (- bei der Darstellung der Fig. 1 und 2 ist es die Schleifscheibe 4a). Der Vorschub der Werkstückträger 8 wird von einer nicht dargestellten Steuereinheit so gesteuert, daß zumindest kurz vor Beendigung des Schleifvorganges die Schleifscheiben 4a, 4b sich mit allen 12 Werkstücken 10 gleichzeitig und unter gleichen Kontaktbedingungen in Berührung befindet und diese gleichzeitig bearbeitet. Dabei liegen die Berührungsstellen 12 sämtlicher Werkstücke 10 mit dem Schleifkörper (z. B. 6a) der Schleifscheibe (z. B. 4a) in einer Ebene, die rechtwinklig zur Rotationsachse 2a der Werkzeugspindel 2 verläuft. Der Winkelabstand zwischen den Berührungsstellen 12 zweier benachbarter Werkstücke 10, bezogen auf die Rotationsachse 2a der Werkzeugspindel 2, ist gleich, wobei die Berührungsstellen 12 von jeweils zwei gegenberliegenden Werkstücken 8 symmetrisch zur Rotationsachse 2a liegen. Diese Anordnung läßt sich aus Fig. 2 entnehmen, die allerdings die Werkstücke 10 kurz vor der Berührung mit der Schleifscheibe 4a zeigt. Während des Schleifvorganges kann die Werkzeugspindel 2 in Richtung ihrer Rotationsachse 2a verschoben werden, um besondere Profile aus dem Werkstück 10 herauszuschleifen. Ergänzend wird an dieser Stelle noch darauf hingewiesen, daß die Rotationsachsen 14 der Werkstücke 10 und die Rotationsachse 2a der Werkzeugspindel 2 nicht nur parallel, sondern wahlweise auch winklig zueinander angeordnet sein können, was insbesondere von dem gewünschten Profil des geschliffenen Werkstückes 10 abhängt.

Abschließend ist noch anzumerken, daß anstelle der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Schleifscheiben 4 auch andere Werkzeugarten, wie z. B. ein Fräswerkzeug oder ein Drehwerkzeug, verwendet werden können. Selbstverständlich können auch mehrere Werkstückträger in mehreren Ebenen untereinander angeordnet werden, um die Anzahl der zu bearbeitenden Werkstücke zu erhöhen. Sollen keine rotationssymmetrischen Teile aus den Werkstücken hergestellt werden, so können diese auch fest an den Werkstückträgern 8 eingespannt werden.

Zusätzlich zu den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Elementen können auch noch Be- und Entlade-, Abricht-, Schärf-, Kühlschmierstoff- und/oder Reinigungseinrichtungen vorgesehen sein. Auch kann die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Anordnung von einem Gehäuse umschlossen sein, welches der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt ist.

Claims (9)

1. Werkzeugmaschine zur spanabhebenden Bearbeitung von Werkstücken (10), mit Werkstückträgern (8) zum Einspannen von Werkstücken (10) und mit mindestens einem rotierenden, spanabhebenden Werkzeug (4a; 4b), welches während des Zerspanungsvorganges mit den Werkstücken (10) in Eingriff gelangt, wobei mehrere Werkstückträger (8) um das rotierende Werkzeug (4a; 4b) herum angeordnet sind, gekennzeichnet durch eine Steuerung, die die Werkstückträger (8) und/ oder das Werkzeug (4a; 4b) während des Zerspanungsvorganges so ver­ fährt, daß das rotierende Werkzeug (4a; 4b) zumindest kurz vor Beendigung des Zerspanungsvorganges stets mit allen in den Werkstückträgern (8) einge­ spannten Werkstücken (10) gleichzeitig und unter gleichen Kontaktbedin­ gungen in Eingriff gelangt.

2. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer rotierenden Werkzeugspindel (2) mehrere Werkzeuge (4a; 4b) hintereinander angeordnet sind und mehrere Werkstückträger (8) um Werkzeuge (4a; 4b) und Werkzeugspindel (2) herum angeord­ net sind und daß die Werkstückträger (8) und/oder die Werkzeuge (4a; 4b) so verfahren werden, daß jedes Werkzeug (4a; 4b) zumindest kurz vor Beendigung des Zerspanungsvorganges stets mit allen in den zugehörigen Werkstückträgern (8) eingespannten Werkstücken (10) gleichzeitig in Eingriff gelangt.

3. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstückträger (8) nur radial zur Rota­ tionsachse (2a) des Werkzeugs (4a; 4b) verfahrbar sind.

4. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstückträger (8) so um das Werkzeug (4a; 4b) herum verteilt sind, daß der Winkel zwischen den Berührungsstellen (12) zweier benachbarter Werkstücke (10) mit dem Werkzeug (4a; 4b), bezogen auf dessen Rotationsachse (2a), bei allen Werkstücken (10) gleich ist.

5. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug (10) im wesentlichen die Form einer Scheibe hat.

6. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke (10) an den Werkstückträgern (8) drehbar gespannt und von entsprechenden Antriebseinrichtungen an­ treibbar sind.

7. Werkzeugmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationsachse (14) der Werkstücke (10) parallel zur Rotationsachse (2a) des Werkzeugs (4a; 4b) verläuft.

8. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug (10) aus einer Schleifscheibe besteht.

9. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug (10) aus einem Fräswerkzeug besteht.